5GS : Guide pratique de l'architecture du système 5G pour les ingénieurs en télécommunications
- , par Paul Waite
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Si vous travaillez dans le secteur des télécommunications, vous avez probablement entendu le terme « 5G » utilisé de manière vague pour décrire tout ce qui va des vitesses de téléchargement plus rapides aux villes intelligentes futuristes. Mais le 5GS — le système 5G tel que défini par le 3GPP — est quelque chose de bien plus précis. Il englobe l'architecture complète de bout en bout des réseaux 5G, intégrant la 5G New Radio (NR) au cœur de réseau 5G (5GC). Cette distinction est importante, car le 5GS permet des capacités telles que le découpage en réseau (network slicing), les communications ultra-fiables à faible latence (URLLC) et les communications massives de type machine (mMTC) qui ne sont tout simplement pas possibles avec des mises à niveau radio seules.
Ce guide répond à ce qu'est réellement le 5GS et en quoi il diffère de la radio 5G NR, du cœur de réseau EPC (Evolved Packet Core) 4G et des cœurs hérités. Nous passerons en revue les versions 15 à 18 du 3GPP (2018-2025) en tant que jalons principaux façonnant les déploiements commerciaux. L'accent est mis ici sur les implications pratiques pour les opérateurs de réseaux mobiles (MNO), les opérateurs de réseaux mobiles virtuels (MVNO) et les opérateurs de réseaux sans fil fixes qui construisent de vrais réseaux, et non sur une théorie abstraite.
Du 4G EPC au 5GS : Ce qui change pour les opérateurs
La transition du 4G EPC au 5GS représente un changement fondamental dans le fonctionnement de l'infrastructure de réseau mobile. L'EPC, largement déployé entre 2014 et 2016, repose sur une conception monolithique centrée sur le matériel avec des interfaces point à point telles que S1 (RAN vers cœur), S5/S8 (plan utilisateur) et S6a (authentification). Cette architecture gérait des débits de crête d'environ 1 Gbps par cellule — impressionnant pour l'époque, mais insuffisant pour les objectifs de la 5G de 20 Gbps en pic.
Le 5GS sépare la 5G NR (la technologie d'accès radio) du cœur de réseau et de l'architecture système. Cette séparation est extrêmement importante pour la planification de la migration. Alors que l'EPC exigeait des composants étroitement couplés, le 5GS introduit la séparation du plan de contrôle et du plan utilisateur (CUPS), une architecture basée sur les services (SBA) et des modèles de déploiement cloud-native. Les API RESTful HTTP/2 avec des charges utiles JSON remplacent les tunnels GTP, permettant un déploiement sur des orchestrateurs Kubernetes avec une mise à l'échelle 10 fois plus rapide — quelques secondes contre des heures pour l'instanciation VNF.
Le calendrier de déploiement crée des réalités opérationnelles distinctes. Les déploiements Non-Standalone (NSA) utilisant l'EN-DC maintiennent l'EPC comme point d'ancrage, ce qui a accéléré les premiers lancements — plus de 100 opérateurs avaient lancé la NSA fin 2020. Cependant, la NSA sacrifie les capacités de slicing et de VoNR. Le mode Standalone (SA) nécessite un cœur 5G complet et des changements importants dans l'intégration OSS/BSS, avec des lancements SA commerciaux en croissance à partir de 2021. Les données de la GSMA indiquent que 70 % des opérateurs exploitaient des environnements hybrides EPC-5GC d'ici 2024, avec un arrêt complet de l'EPC prévu pour 2027-2028 en Europe et en Asie.
Spécifications et versions 3GPP du 5GS
Le 3GPP définit le 5GS par une série de versions, chacune ajoutant des capacités que les opérateurs peuvent exploiter pour différents cas d'usage. Comprendre quelle version prend en charge vos besoins vous aide à sélectionner le bon équipement et à planifier votre feuille de route.
La version 15 (gelée en juin 2018, gel fonctionnel en mars 2019) a introduit les spécifications initiales de la 5G NR et du 5GC. Les documents clés comprennent les TS 23.501 (architecture système), TS 23.502 (procédures) et TS 23.503 (politique et facturation). Cette version a permis les premiers déploiements NSA et a posé les bases de la SBA avec la NRF pour la découverte des fonctions réseau (NF).
La version 16 (finalisée entre mi-2020 et début 2021) a amélioré l'URLLC pour l'IoT industriel avec des objectifs de latence inférieurs à 1 ms et une fiabilité supérieure à 99,999 %. Elle a ajouté l'accès et le backhaul intégrés (IAB) pour les déploiements denses et des améliorations pour les communications véhicule-à-tout (V2X).
La version 17 (terminée en 2022) s'est étendue aux réseaux non terrestres (NTN) pour l'intégration satellitaire et à la NR-RedCap pour les appareils IoT à complexité réduite prenant en charge des débits de données jusqu'à 220 Mbps en liaison descendante.
La version 18 (5G-Advanced ou « 5.5G », travail en cours jusqu'en 2025) se concentre sur l'optimisation réseau pilotée par l'IA/ML, la détection intégrée et les améliorations de la liaison montante pour le FWA, avec des études montrant des gains de capacité potentiels de 3 à 5 fois par rapport à la version 17 dans les déploiements en bande moyenne.
Les groupes 3GPP les plus pertinents pour l'architecture 5GS incluent SA1 (services), SA2 (architecture, produisant TS 23.501/502), SA3 (sécurité), SA5 (gestion et gestion des télécommunications), RAN1-3 (couche physique, couche 2/3, architecture et interfaces), et les groupes CT pour l'IMS et les protocoles.
Architecture centrale du 5GS : conception basée sur les services
Le cœur 5G (5GC) sert d'élément central du 5GS — une architecture entièrement définie par logiciel et basée sur les services qui modifie fondamentalement la façon dont les composants du réseau communiquent et évoluent.
Dans l'EPC, les composants se connectent via des interfaces point à point (S1, S6a, S11) avec des interactions rigides et prédéfinies. Le 5GC remplace cela par des interfaces basées sur les services où les fonctions réseau exposent des API via REST/HTTP2 avec des charges utiles JSON. Ce changement permet une évolutivité horizontale et simplifie l'ajout de nouvelles capacités sans avoir à redessiner les spécifications d'interface.
La séparation logique du plan de contrôle et du plan utilisateur est essentielle pour faire évoluer le trafic. Les fonctions du plan de contrôle (AMF, SMF, PCF, UDM, AUSF) gèrent la signalisation et la gestion des sessions, tandis que les fonctions du plan utilisateur (UPF) se concentrent purement sur le transfert de paquets avec des débits allant jusqu'à 100 Gbps par instance. Cette séparation permet une mise à l'échelle indépendante — les UPF gèrent 80 à 90 % du volume de trafic tandis que le plan de contrôle gère les tempêtes de signalisation provenant des poussées de l'IoT atteignant jusqu'à 1 million d'appareils par kilomètre carré.
Les fournisseurs de télécommunications déploient désormais le 5GC en tant que fonctions réseau cloud-native (CNF) sur Kubernetes ou des clouds basés sur OpenStack. Des fournisseurs comme Ericsson rapportent 5 fois d'économies d'OPEX grâce à la mise à l'échelle automatique lors des événements de pointe. Lors de la visualisation de cette architecture, concentrez-vous sur les blocs logiques et les points de référence (N1, N2, N3, N6) plutôt que sur les produits spécifiques aux fournisseurs.
Fonctions clés du réseau 5GS
Dans le 5GS, les fonctions réseau (NF) remplacent de nombreux rôles d'éléments de réseau traditionnels de l'EPC, exposant des capacités via des API découvrables.
AMF (Access and Mobility Management Function) gère la signalisation NAS, la gestion des connexions et la sélection de SMF/PCF. Elle évolue à partir de la MME mais délègue les tâches de session à la SMF.
SMF (Session Management Function) gère l'établissement de session PDU avec des profils QoS, traitant les aspects de contrôle précédemment gérés par SGW/PGW.
UPF (User Plane Function) consolide le plan utilisateur SGW/PGW pour le transfert de paquets, déployable en périphérie de réseau pour une latence inférieure à 10 ms.
AUSF/UDM remplacent le HSS pour une authentification unifiée. L'AUSF gère les tâches du serveur d'authentification avec des vecteurs 5G-AKA, tandis que l'UDM gère les données d'abonné avec un chiffrement SUPI-vers-SUCI pour empêcher le IMSI catching.
PCF (Policy Control Function) étend le PCRF pour des politiques sensibles au slicing avec des règles dynamiques basées sur l'emplacement et la vitesse de l'UE.
NSSF (Network Slice Selection Function) sélectionne le S-NSSAI lors de la configuration PDU, prenant en charge le multi-tenancy.
NEF (Network Exposure Function) expose les capacités du réseau aux fonctions d'application comme les applications de périphérie.
NRF (NF Repository Function) agit comme un registre de services avec une découverte protégée par OAuth, gérant plus de 10 000 enregistrements par seconde dans les déploiements hyperscale.
NWDAF (Network Data Analytics Function) fournit des analyses basées sur le ML pour la mise à l'échelle prédictive et la détection d'anomalies.
Pour les ingénieurs venant du LTE : la MME correspond à peu près à AMF+SMF, le HSS correspond à UDM+AUSF+UDR, et le PCRF correspond à PCF+CHF. Cela vous aide à lire les spécifications 5GS avec des modèles mentaux familiers.
5GS et découpage en réseau (Network Slicing)
Le découpage en réseau (network slicing) est l'une des capacités déterminantes du 5GS, permettant à plusieurs réseaux logiques de fonctionner sur une infrastructure RAN et cœur partagée. Chaque tranche fonctionne comme un réseau isolé de bout en bout avec des ressources et des politiques dédiées.
Les tranches sont identifiées par le S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information), avec une prise en charge allant jusqu'à 256 tranches par PLMN. Les types de tranche/service (SST) définissent la catégorie : SST 1 pour eMBB (haut débit mobile amélioré), SST 2 pour URLLC, et SST 3 pour mMTC. L'instanciation s'étend du gNB (slicing CU/DU via une demande AMF) à travers l'AMF, le SMF/PCF (politique et QoS par tranche), jusqu'à l'UPF (isolation du trafic via DNN).
La NSSF ancre la sélection de tranche en utilisant l'abonnement UE et le SST demandé. La PCF applique des politiques spécifiques à la tranche, tandis que les plateformes d'orchestration SDN/NFV comme ONAP gèrent le cycle de vie de la tranche — de la création à la surveillance, jusqu'au démantèlement.
Considérez ces cas concrets issus de déploiements récents :
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La tranche FWA rurale de T-Mobile en 2023 sur la bande moyenne n71 (600 MHz) dessert 50 000 foyers avec des UPF dédiés offrant des vitesses de 500 Mbps
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La tranche d'usine de Volkswagen en 2024 en Allemagne (spectre local 3,7-3,8 GHz) fournit le contrôle des AGV avec des exigences de latence URLLC
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Les tranches de réseau privé d'entreprise pour les MVNO réduisent le CAPEX de 40 % grâce à une infrastructure RAN/cœur partagée selon le rapport 2024 de la GSMA
Un défi à surveiller : la synchronisation RAN-cœur introduit un surcoût de 20 à 30 % dans la latence de transfert inter-tranche si elle n'est pas correctement réglée.
Modèles de déploiement 5GS : NSA, SA et 5G privée
Le Non-Standalone (NSA) et le Standalone (SA) représentent des choix architecturaux fondamentalement différents. La NSA (Option 3x, EN-DC) ancre la 5G NR au RAN LTE et à l'EPC, augmentant la bande passante grâce à l'agrégation de porteuses — combinant 100 MHz 4G avec 400 MHz 5G pour atteindre 2 Gbps. La SA (Option 2) utilise un 5GC complet, permettant le slicing et la VoNR.
La chronologie raconte l'histoire : les lancements commerciaux NSA ont touché plus de 80 opérateurs vers 2019-2020, avec China Mobile couvrant 300 millions d'utilisateurs. Le passage vers la SA s'est accéléré à partir de 2021 pour les opérateurs donnant la priorité à la VoNR et aux revenus du slicing. La pénétration des UE compatibles SA est passée de 10 % en 2021 à 60 % d'ici 2024 selon le rapport Ericsson Mobility Report.
Pour les opérateurs évaluant le déploiement, les impacts architecturaux incluent :
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Double connectivité (EN-DC) sur les interfaces Xn/X2 pour un transfert transparent
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Double enregistrement pour les UE se connectant à la NR et au 5GC
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Complexité de l'itinérance issue du routage inter-UPF N9 et du traitement SUPI
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Exigences en matière d'appareils pour les UE compatibles SA
La 5G privée et les réseaux non publics (NPN) offrent une flexibilité supplémentaire. Les allocations de spectre local — bande CBRS 3 (3,55-3,7 GHz) aux États-Unis avec plus de 50 000 déploiements prévus d'ici 2025, 3,7-3,8 GHz en Allemagne pour les usines — permettent des déploiements autonomes avec un 5GC local ou une intégration au cœur public via N3IWF. La mise à niveau de l'automatisation du port de Los Angeles en 2023 a atteint une latence de 5 ms en utilisant cette approche.
Les opérateurs pèsent généralement la NSA pour une expansion rapide de la couverture (80 % des sites mis à niveau d'ici 2020) contre la SA pour la croissance des revenus — le slicing ajoute 20 à 50 $ par utilisateur mensuellement en ARPU entreprise.
Bandes de fréquences 5GS et intégration radio
Bien que le 5GS concerne principalement le système et le côté cœur de réseau, les choix de spectre pour la NR (FR1 et FR2) influencent fortement la conception du cœur et la planification de la capacité.
Bande basse (600-900 MHz, incluant n5 et n28) offre une couverture s'étendant sur 10-50 km avec des vitesses typiques autour de 100 Mbps — idéal pour le FWA rural comme les déploiements n71 de T-Mobile.
Bande moyenne (3,3-4,2 GHz, n77/n78) fournit de 500 Mbps à 2 Gbps avec 100-200 MHz de bande passante. Cette bande domine les déploiements mondiaux, comprenant 70 % des sites 5G d'ici 2025.
mmWave (24-40 GHz, n258/n260) atteint 4-10 Gbps avec 800 MHz de bande passante mais une portée limitée à moins de 200 mètres — adaptée aux lieux à haute densité comme les déploiements dans les stades.
Différentes bandes créent différents modèles de trafic à travers les UPF et le backbone. Les UPF de périphérie gèrent le trafic mmWave en rafale avec des pics 10 fois plus élevés, tandis que les UPF centraux servent des flux constants en bande basse. Le partage dynamique de spectre (DSS) permet une efficacité LTE-5G allant jusqu'à 90 % pendant les périodes de transition.
L'intégration avec les RAT hérités est importante pour les opérateurs en zone brownfield. La double connectivité LTE et NR, les interfaces Xn pour le transfert multi-RAT, et une planification minutieuse du backbone garantissent une expérience utilisateur fluide pendant la migration.
Sécurité et confiance dans le 5GS
Le 5GS améliore la sécurité grâce à plusieurs mécanismes, mais le passage aux protocoles de type IT et au déploiement cloud-native élargit également la surface d'attaque. Le rapport 2023 de l'ENISA estime une augmentation de 5 à 10 fois des vecteurs d'attaque potentiels par rapport aux architectures de télécommunications traditionnelles.
Les fonctionnalités de sécurité clés traitent les vulnérabilités 4G connues :
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SUCI (Subscription Concealed Identifier) utilise le chiffrement à clé publique pour empêcher l'écoute passive qui a tourmenté l'IMSI en 4G
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5G-AKA fournit une dérivation de clé améliorée avec une authentification mutuelle domestique-visitée
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AUSF/UDM fournissent des vecteurs d'authentification unifiés avec des fondations cryptographiques plus solides
Les préoccupations réglementaires et géopolitiques ont façonné le déploiement du 5GS de 2019 à 2024. La boîte à outils 5G de l'UE (2020) a rendu obligatoires les évaluations des risques des fournisseurs. Les restrictions de la FCC américaine en 2022 et le plafond de 35 % imposé à Huawei au Royaume-Uni ont favorisé la diversification de la chaîne d'approvisionnement — des opérateurs comme Deutsche Telekom ont atteint un 5GC 100 % conforme aux politiques d'ici 2024.
Les exigences de sécurité opérationnelle pour les environnements 5GS incluent la sécurité des API (mTLS, limitation de débit) pour les interfaces SBA, la gestion et l'automatisation du cycle de vie des certificats, une segmentation stricte entre les tranches pour éviter les interférences, et la surveillance continue des NF exposées via NEF. La nature IT de la SBA exige des passerelles API robustes pour atténuer les risques DDoS qui n'étaient pas des préoccupations dans les piles de protocoles télécom traditionnelles.
5GS pour les cas d'usage industriels, IoT et sans fil fixes
Le 5GS prend en charge trois catégories de services principales simultanément : eMBB (pics de 20 Gbps), URLLC (latence inférieure à la milliseconde, fiabilité de 99,99999 %) et mMTC (1 million d'appareils par kilomètre carré). Cette flexibilité permet des déploiements diversifiés dans toutes les industries.
Les déploiements industriels se sont accélérés depuis 2022. La mise en œuvre en usine de Bosch en 2023 utilisant la version 16 atteint une latence de 0,5 ms pour contrôler 1 000 robots. Les projets d'automatisation portuaire comme la mise à niveau du port de Los Angeles en 2023 démontrent comment les cœurs 5GS locaux avec des tranches dédiées permettent le contrôle autonome des véhicules avec des garanties SLA strictes.
mMTC et RedCap (version 17) répondent aux exigences massives de l'IoT. Les appareils RedCap offrent une complexité réduite avec des débits de pointe de 20 Mbps et une autonomie de batterie de 10 ans pour les capteurs — gérables via le slicing sans surcharger la capacité du cœur.
L'accès sans fil fixe (FWA) explose avec les cœurs 5GS SA. Le déploiement FWA n77 de Verizon en 2024 dessert 2 millions d'abonnés à 1 Gbps, rivalisant avec la fibre à 300 $ par foyer contre plus de 1 000 $ pour l'installation de la fibre. Les zones rurales et suburbaines dépendent de plus en plus du FWA comme alternative plus rapide à déployer, prenant souvent en charge des tranches 5GS parallèlement au trafic mobile.
Du point de vue de l'opérateur, la planification de la capacité doit répondre aux SLA de disponibilité de 99,999 % tout en gérant les environnements hybrides EPC-5GC. L'isolation des tranches garantit que le trafic industriel URLLC n'entre pas en concurrence avec les flux de consommation eMBB.
Opérations, automatisation et observabilité dans le 5GS
Le 5GS a été conçu dès le départ pour l'automatisation, avec des API et l'exposition d'événements permettant un contrôle en boucle fermée qui n'était pas pratique dans les environnements EPC.
La NWDAF (Network Data Analytics Function) sert de moteur d'analyse, corrélant les KPI à travers le RAN et le cœur pour la mise à l'échelle prédictive et la détection d'anomalies. Les modèles ML peuvent prédire des pics de trafic de 20 à 30 %, déclenchant la mise à l'échelle de l'UPF avant que la congestion ne se produise. Les approches d'apprentissage non supervisé identifient les anomalies réseau qui nécessiteraient autrement une analyse manuelle des journaux.
L'intégration avec des orchestrateurs externes et des pipelines CI/CD permet le déploiement continu des mises à jour CNF. Les mises à niveau roulantes sans temps d'arrêt — impossibles dans l'EPC monolithique — deviennent une pratique standard. La découverte de services basée sur la NRF signifie que les nouvelles instances NF s'enregistrent automatiquement et deviennent disponibles.
L'observabilité pratique nécessite la fusion de plusieurs sources de données :
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Suivi des appels SBI avec des objectifs de latence inférieurs à 50 ms
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Surveillance des performances UPF (paquets par seconde dépassant 1 million)
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KPI RAN comme CQI et BLER corrélés avec les métriques de cœur
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Formats de télémétrie standard (tableaux de bord Prometheus, Grafana)
Les déploiements dans les stades d'AT&T en 2024 démontrent une mise à l'échelle automatique gérant des pics de trafic 5 fois supérieurs lors des événements — exactement le type de scénario pour lequel l'automatisation 5GS a été conçue.
Feuille de route de migration vers le 5GS
La plupart des opérateurs exploiteront des environnements mixtes EPC et 5GC pendant plusieurs années. Une stratégie de migration par phases équilibre l'expansion de la couverture, la capture des revenus et la complexité opérationnelle.
Les phases typiques incluent :
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Optimisation LTE/EPC (2018-2020) : Maximiser l'investissement existant tout en planifiant la 5G
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Introduction NSA (2019-2022) : Expansion rapide de la couverture, 90 % des sites mis à niveau
SA limité pour des cas d'usage spécifiques (2021-2023) : déploiements sur campus d'entreprise, réseaux privés
Déploiement élargi du SA et VoNR (2023-2025) : 70 % des sites, VoNR grand public remplaçant le repli sur VoLTE
Planification de l'arrêt de l'EPC (2026-2028) : migration finale du trafic restant
Les dépendances techniques contraignent le calendrier. Le taux de pénétration des terminaux compatibles SA doit atteindre 80 % avant qu'une migration SA généralisée ne soit pertinente, ce qui est prévu pour 2026. La préparation de l'IMS pour la VoNR reste essentielle, le repli sur VoLTE étant nécessaire jusque-là. L'interfonctionnement avec les réseaux 2G/3G existants via l'interface N26 (transfert AMF-MME) ajoute une complexité dans les régions où ces réseaux persistent.
Les opérateurs « greenfield » comme Dish ont contourné cette complexité en lançant uniquement le SA à partir de 2022. La plupart des opérateurs mobiles historiques visent une couverture SA étendue entre 2024 et 2027, acceptant les opérations hybrides comme une réalité transitoire.
En perspective, la 5G-Advanced (Release 18) promet une amélioration par trois de l'efficacité spectrale et une optimisation du réseau nativement basée sur l'IA. La recherche sur la 6G et la convergence non terrestre positionne la 5GS comme la fondation de la prochaine décennie d'évolution des réseaux mobiles. Les opérateurs qui maîtrisent l'architecture 5GS aujourd'hui seront les mieux placés pour adopter ces avancées à mesure qu'elles arriveront à maturité.
Commencez par évaluer vos dépendances EPC actuelles et identifiez les cas d'usage à haute valeur ajoutée — qu'il s'agisse du découpage en tranches (slicing) pour les entreprises, de l'extension du FWA ou de l'IoT industriel — qui justifient un investissement dans le SA. Envisagez de piloter le SA sur une empreinte limitée afin d'acquérir une expertise opérationnelle avant un déploiement plus large. Consultez la page des spécifications du 3GPP pour plus de détails sur les dernières versions prenant en charge vos capacités cibles.
